包層泵浦耦合技術

端面泵浦是雙包層光纖有源器件最早采用的泵浦方式，也是比較容易實現(xiàn)的泵浦方式，在納秒脈沖放大技術中應用也很廣泛。 在端面泵浦方式里，泵浦光經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)直接聚焦到光纖端面上，二向色鏡緊貼光纖端面。如果光路中有很好的隔離措施，二向色鏡可以與準直系統(tǒng)共軸放置，光纖端面正切為菲涅耳端面。但光路如果缺乏很好的隔離措施，在放大技術中應盡量避免反饋，故可以將二向色鏡傾斜放置并與光纖端面磨制的傾角平行。該技術需要對耦合系統(tǒng)進行精心的設計，設計時需要考慮到泵浦光的輸出孔徑、光斑的尺寸，摻雜光纖的內包層形狀、尺寸、數(shù)值孔徑等參數(shù)，使泵浦光能夠高效地耦合進入雙包層光纖的內包層。二向色鏡要求對泵浦光高透，對信號激光高反。輸出端可以利用光纖端面直接輸出，也可以通過一個特定反射率的二向色鏡反饋輸出。由于大功率泵浦光直接聚焦到與二向色鏡緊貼的光纖端面上，二向色鏡的鍍膜需要具有高的損傷閾值。 端面泵浦方式具有一些本身的缺陷:由于利用二向色鏡作為耦合鏡，需要精密的調整機構，對放大器工作環(huán)境要求非常高，放大器的結構不夠緊湊。另外這種技術由于聚焦光斑大小、數(shù)值孔徑與光纖內包層端面尺寸的完全匹配難以實現(xiàn)，耦合效率一般不高。

為了克服端面泵浦方式對光纖端面的束縛，人們發(fā)明了 V 型槽泵浦技術。 V 型槽泵浦技術利用雙包層光纖內包層尺寸較大的特點，將雙包層光纖的一段剝除涂敷層及外包層后，在內包層的一個側面開一"V"形槽，泵浦光經(jīng)微透鏡聚焦后從相對的另一側垂直注入雙包層光纖內包層，泵浦光從光纖的另一邊經(jīng)透鏡聚焦入射到 V 型槽的斜邊上，然后經(jīng)斜邊全反射進入纖芯并傳播。V 型槽的斜角根據(jù)光纖和泵光的參數(shù)確定，經(jīng)反射進入纖芯的泵浦需滿足在內包層傳播的全反射條件。利用這種技術，光纖的端面可以得到自由，從而方便構成激光器環(huán)形腔結構，在制作放大器時也方便信號光的注入。而且泵浦位置可自由選擇，便于實現(xiàn)雙向泵浦及多點陣列式泵浦，得到較高功率。較端面泵浦方式，也不存在泵浦光聚焦到腔鏡上損傷鍍膜的問題。但是在內包層上刻制V 型槽需要非常高的微刻技術，不容易加工，目前在國內還沒有這種工藝手段，另外 V 形槽泵浦結構也比較復雜。

前面提到的兩種技術，都需要附加透鏡準直等設備，將泵浦光聚焦至光纖內包層上，系統(tǒng)復雜。錐形光纖耦合技術是一種改進的端泵浦耦合方式，這種方式不需要耦合透鏡，而是依靠錐形光纖將尾纖輸出的大模場直徑光斑壓縮進橫截面相對較小的雙包層光纖中。即多根光纖組成的光纖束逐漸收縮為單根與雙包層光纖尺寸相匹配的多模光纖，再與雙包層光纖連接。前端的每一根光纖都可以與一個泵浦源連接，利用這個技術可以獲得非常高的輸出功率。經(jīng)設計，可以將光纖束中心一路光纖作為信號光輸入，方便光纖放大器的研制，也可以構成環(huán)形腔激光器。這種方式消除了透鏡組帶來的附加損耗，耦合效率高于普通的端泵耦合方式，可達到 98%。而且整個系統(tǒng)成為一體，結構緊湊、穩(wěn)定，對放大器的工作環(huán)境也不是很嚴格，有利于放大器的大規(guī)模應用。

但這種錐形光纖耦合技術對信號光與泵浦光的隔離度不高，在放大器的研究中微弱的光反饋都可能造成光器件嚴重的損失。國內的工藝技術水平逐漸接近國際先進水平。中國電子科技集團第 46 研究所已研制成功耦合效率達80%的多路泵浦合束器。

樹杈形耦合技術是一種更為先進的泵浦手段，是一種邊泵浦技術。跟錐形光纖耦合技術不同的是，它實行多點泵浦方案，在一根單模光纖的多個不同位置接合了多模光纖，每一路多模光纖跟一個半導體泵浦激光器相連接。從理論上講，可以根據(jù)需要隨意增加泵浦激光器的數(shù)量，因此可以獲得 非常高的輸出功率。并且每個泵浦激光器的功率相對較小，工作更穩(wěn)定，接合點也不容易產(chǎn)生損傷問題，可以方便地應用于工業(yè)生產(chǎn)等領域。 采用這種泵浦技術還可以方便地構成環(huán)形腔激光器，在輸入端輸入信號還可以作為高功率光纖放大器。這種技術目前世界上只有 IPG 等或研究所掌握，受工藝水平限制，國內還處于初期研究階段。

熔錐側面泵浦耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起, 在高溫火焰中加熱使之熔化, 同時在光纖兩端拉伸光纖, 使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段, 能夠將泵浦光由多模光纖由雙包層光纖側面導入內包層, 從而實現(xiàn)定向側面泵浦耦合。

國內外用于通訊方面光纖無源器件-光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器,采用較為成熟的熔錐法生產(chǎn), 工藝較簡單, 制作周期短, 適于實現(xiàn)微機控制的半自動化生產(chǎn)。但是, 這種用于通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號中去。其原理決定其只能進行對輸入信號光功率分配, 因此, 輸出的信號光功率必定小于輸入最大信號的光功率, 因而無法用于實現(xiàn)光功率的擴展。在雙包層光纖側面泵浦耦合技術中, 在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯, 同時雙包層的外包層也要去除露出內包層, 并且要使之能夠融合在一起, 因此, 其生產(chǎn)工藝較為復雜, 雖然已有相關專利可供查詢參考, 但是最為重要的關鍵過程未見報道。DIGIOVANNI 等介紹了一種雙包層熔錐側面耦合器的生產(chǎn)工藝, 從中也可以看出, 其生產(chǎn)過程與目前的單模光纖耦合器有很大不同。國外已有一些能夠生產(chǎn)多模光纖側面耦合器, 例如美國的OFS , 他們已將此項術用于高功率的光纖激光器以及Raman 光纖放大器等領域.

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V 槽側面泵浦耦合方式上的改進,首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分, 然后在內包層上刻蝕出一個小槽, 槽的深度足夠放入用來反射泵浦光的嵌入微反射鏡, 但是距纖芯還有一定距離, 以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據(jù)優(yōu)化設計的曲面, 為了得到高的耦合效率, 其反射面事先鍍上了高反率的膜層, 入射面鍍了對泵浦光的增透膜。該技術中采用了光學膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內包層粘接固定, 同時光學膠還作為折射率匹配介質用來降低界面的反射損耗。LD 泵浦源應當與嵌入微反鏡足夠近, 以保證具有較大發(fā)散角的泵浦光能夠全部照射到微反鏡的反射面上。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了V 槽側面泵浦耦合要求利用側面作為反光面的方式, 因此, 對于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。KOPLOW 等利用此方式獲得了5 .2W(波長1064nm)和2 .6W(波長1550nm)的光纖激光輸出。實驗獲得的嵌入反射鏡式泵浦耦合效率受x , y , z 3 個方向偏移失調量影響的曲線圖。實驗中采用了SDL-6380-A 多模半導體激光器作為泵浦源,其發(fā)光面為1μm ×100μm 長條形, 兩個方向發(fā)散角分別為28°和12°, 所用的雙包層光纖內包層為135μm ×135μm 正方形, 數(shù)值孔徑約0 .45 。

其基本原理是在雙包層光纖去一小段, 剝去涂敷層和外包層, 將內包層沿縱向進行磨拋, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(對于內包層形狀為矩形、D型、六角形等雙包層光纖, 內包層已有窄平面, 如果平面寬度足夠, 可以不必磨拋雙包層光纖)。然后將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖的纖芯相對該平面緊密貼合并固定好兩纖的相對位置。泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層.

實際上, 由于泵浦光纖按一定角度磨拋好的端面并不能完全和雙包層光纖內包層緊貼, 因此, 還需要利用光學膠將其空隙填充。一方面光學膠能夠將泵浦光纖端面和內包層側面固定好, 另一方面又作為折射率匹配介質將泵浦光有效導入內包層中。由于采用了光學膠, 因此, 不必對內包層縱向進行磨拋而得到平面, 直接利用光學膠也可將泵浦光由內包層的彎曲側面導入。通常該側面泵浦耦合技術要求泵浦光纖端面的磨拋角A 較小(約10°), 對于光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。利用該側面泵浦耦合方式獲得了高達90 %的耦合效率, 但是獲得的光纖激光輸出功率還未見有高于1W 的報道?？赡苁怯捎谠诟弑闷止β氏? 光學膠難以承受其功率密度而導致?lián)]發(fā)或分解所致。這里泵浦光纖的芯徑100μm, 數(shù)值孔徑0 .22 , 雙包層光纖的芯徑350μm , 數(shù)值孔徑0 .37 。

如何將高功率多模泵浦激光器出射的光耦合進入光纖是包層泵浦技術中最關鍵的技術之一，也是建立整個雙包層光纖放大系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它直接關系到放大系統(tǒng)的最大輸出功率和系統(tǒng)的轉換效率。

采用的泵浦耦合方式可以分為端面耦合、V 型槽耦合、錐形光纖耦合及樹杈形耦合。 端面泵浦是最早采用的泵浦方式，泵浦光經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)直接聚焦到雙包層的光纖端面進入內包層。這種耦合技術對加工工藝相對要求較低，比較容易實現(xiàn);但其對工作環(huán)境要求非常高，放大器的結構不夠緊湊。另外，端面耦合由于聚焦光斑大小、數(shù)值孔徑與內包層端面尺寸、受光角的完全匹配難以實現(xiàn)，耦合效率一般不高。

V 型槽泵浦技術的出現(xiàn)克服了端面泵浦方式對光纖端面的束縛，將雙包層光纖固定在玻璃基底上，在內包層開一個 V 形槽，泵浦光被 V 形槽全反射進入內包層。利用這種技術，光纖的端面可以得到自由，從而方便構成環(huán)形腔結構，在放大系統(tǒng)中方便信號光的注入。同時泵浦位置可自由選擇，便于實現(xiàn)雙向泵浦及多點陣列式泵浦，得到較高的功率。但是在內包層上刻制 V 型槽需要非常高的微刻技術，不易加工，目前在國內還沒有這種工藝手段，另外 V 形槽泵浦結構也比較復雜。

錐形光纖耦合技術是一種改進的端泵浦耦合方式，這種方式不需要耦合透鏡，而是依靠錐形光纖將尾纖輸出的大模場直徑光斑壓縮進橫截面相對較小的雙包層光纖中。另外還研制出錐形光纖束耦合技術，即多根光纖組成的光纖束逐漸收縮為單根與雙包層光纖尺寸相匹配的多模光纖。

但這種錐形光纖耦合技術對信號光與泵浦光的隔離度不高，在放大器的研究中微弱的光反饋都可能造成光器件嚴重的損失。 樹杈形耦合技術是一種更為先進的泵浦手段，是一種邊泵浦技術。跟錐形光纖耦合技術不同的是，它實行多點泵浦方案，在一根單模光纖的多個不同位置接合了多模光纖，每一路多模光纖跟一個半導體泵浦激光器相連接。采用這種泵浦技術還可以方便地構成環(huán)形腔激光器，在輸入端輸入信號還可以作為高功率光纖放大器。這種技術目前世界上只有 IPG 等幾家或研究所掌握，受工藝水平限制，國內還處于初期研究階段。